[發(fā)明專利]一種一管多機水電機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)微分方程計算方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011635402.0
• 申請日: 2020-12-31
• 公開（公告）號: CN112651180B
• 公開（公告）日: 2022-06-14
• 發(fā)明（設計）人: 郭志成;曾云;李飛霏;錢晶;王芳芳;鄒屹東
• 申請（專利權）人: 昆明理工大學
• 主分類號: G06F30/27
• 分類號: G06F30/27;G06F113/08;G06F113/14;G06F119/14
• 代理公司: 昆明明潤知識產(chǎn)權代理事務所(普通合伙) 53215
• 代理人: 張云

本發(fā)明涉及一種一管多機水電機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)微分方程計算方法，屬于水輪機及水力機組穩(wěn)定性分析和控制技術領域。以水力系統(tǒng)動態(tài)參數(shù)和多機組狀態(tài)變量表現(xiàn)剛性水擊下一管多機系統(tǒng)的水力耦合，將共用管道的水力動態(tài)轉換成每臺機組流量的微分方程模型，在水力動態(tài)基礎上構建水輪機力矩微分方程模型，與液壓調(diào)速系統(tǒng)模型，發(fā)電機系統(tǒng)模型共同構成一管多機水電機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)微分方程模型；在多機組同時動作情況下，計算各臺水輪機水頭，流量和出力的暫態(tài)變化。本方法為研究水?機?電多因素耦合條件下，各臺水輪發(fā)電機組的調(diào)節(jié)性能，多臺水輪發(fā)電機組間的協(xié)同控制設計提供一種便捷的計算方法和手段。

技術領域

本發(fā)明涉及一種一管多機水電機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)微分方程計算方法，屬于水輪機及水力機組穩(wěn)定性分析和控制技術領域。

背景技術

水電站建設過程中，考慮到成本和地理位置等因素，廣泛采用一管多機的布置方式。如圖1所示，該類型的水電站通過共用壓力鋼管引水至電站廠房前端，然后通過岔管分別連接到每一臺水輪發(fā)電機組。當水電站采用具有共用管段的引水系統(tǒng)供水時，任何一臺調(diào)速器動作都會引起公用管道內(nèi)的水壓的變化，造成水力耦合，從而影響其他機組的轉速和功率，引發(fā)其他調(diào)速器動作，對水電站的安全穩(wěn)定運行造成一定影響。

水輪發(fā)電機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一個高度非線性、水-機-電耦合的非最小相位系統(tǒng)，一般包括水力系統(tǒng)，水輪機系統(tǒng)，發(fā)電機系統(tǒng)，調(diào)速控制系統(tǒng)四個部分。在水輪發(fā)電機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)的模型描述中，展開的研究主要是關于涉及流體力學的水力系統(tǒng)和涉及機械特性的水輪機系統(tǒng)；發(fā)電機系統(tǒng)和調(diào)速控制系統(tǒng)的研究已經(jīng)能滿足各種理論設計和工程實踐，可直接水力系統(tǒng)和水輪機系統(tǒng)相連接。

目前，主要采用傳遞函數(shù)的形式對水力系統(tǒng)進行描述，但隨著非線性理論的發(fā)展，傳遞函數(shù)形式不適用于非線性的分析和控制策略的研究，基于微分方程模型、廣義哈密頓模型等的描述方式得到了廣泛運用。

對于具有共用管道的多機水力系統(tǒng)，已建立了剛性水擊條件下，描述水力耦合動態(tài)的一階微分方程模型；彈性水擊下，帶有共用管的多機水力系統(tǒng)的微分方程模型。這些模型準確的分析了共用管道內(nèi)的水力耦合，還需要給出水力耦合狀況下更有利于水力機組非線性分析和控制設計的單機流量微分方程。

一般將水輪機近似為剛性元件，水輪機力矩的描述有以下三種：一是導葉開度到水輪機功率的傳遞函數(shù)形式；二是基于線性化模型導出的六傳遞系數(shù)水輪機力矩微分方程形式；三是IEEE Working Group中水輪機出力采用代數(shù)方程描述的非線性模型。第三種模型更適用于非線性的分析，但在進行控制策略的研究時，代數(shù)形式的力矩模型并不方便。

在具有共用管道的水電站中，必須考慮水-機-電多因素耦合條件下，各臺水輪發(fā)電機組的調(diào)節(jié)性能，多臺水輪發(fā)電機組間的協(xié)同控制。在此條件下，需要構建一種滿足于非線性分析和控制策略研究的多機水電機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述現(xiàn)有技術存在的問題及不足，本發(fā)明提供一種一管多機水電機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)微分方程計算方法。本方法為研究水-機-電多因素耦合條件下，各臺水輪發(fā)電機組的調(diào)節(jié)性能，多臺水輪發(fā)電機組間的協(xié)同控制設計提供一種便捷的計算方法和手段。本發(fā)明通過以下技術方案實現(xiàn)。

一種一管多機水電機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)微分方程計算方法，以水力系統(tǒng)動態(tài)參數(shù)和多機組狀態(tài)變量表現(xiàn)剛性水擊下一管多機系統(tǒng)的水力耦合，將共用管道的水力動態(tài)轉換成每臺機組流量的微分方程模型，在水力動態(tài)基礎上構建水輪機力矩微分方程模型，與液壓調(diào)速系統(tǒng)模型，發(fā)電機系統(tǒng)模型共同構成一管多機水電機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)微分方程模型。多機組同時動作情況下，計算各臺水輪機水頭，流量和出力的暫態(tài)變化，具體包含以下步驟：

步驟一：建立剛性水擊下一管多機系統(tǒng)流量的微分方程模型。

水電站水力系統(tǒng)基本參數(shù)為：管道長度L，圓管直徑D，重力加速度a_g，水擊波速α。水輪機基本參數(shù)：額定水頭H_r，額定流量Q_r，空載流量q_nl。按以下公式進行計算：